近代物理实验中对实验项目的进一步拓展与设计

吴海飞

摘 要：在《近代物理实验》课程中，在原有实验项目基础上进行进一步设计与拓展，延伸为设计性实验。以“光栅光谱仪的拓展使用”为例， 要求学生自学“紫外分光光度计”的原理，根据实验室现有的组合式光栅光谱仪、氘灯、氘灯电源等设备自行设计并搭建一台紫外分光光度计，并利用设计的紫外分光光度计分析乙醇的吸收光谱特性。

关键词：近代物理实验 设计性实验 教学改革

引言

《近代物理实验》是物理学本科专业的一门专业平台课程，是物理类专业本科生继普通物理实验之后的一门重要的专业实验课程。它介于普通物理实验与科学研究性实验之间，具有承上启下的作用，同时也是一门理论起点较高、综合性和技术性较强的实验课。目前在《近代物理实验》课程中开设的实验项目大多是一些在近代物理学发展史上具有里程碑作用的著名实验， 如塞曼效应、原子光谱和X 射线衍射等，大都还停留在验证性实验的水平， 传统的实验内容在教学中占较大比重。如何根据实验室现有的实验条件，并针对学生的特点，在实验教学中对实验内容和方法进行设计和研究， 以培养学生的创新意识和创新能力是值得思考和关注的问题。本文将“光栅光谱仪的拓展使用”为例， 浅谈怎样在原有实验项目基础上进行进一步设计与拓展，延伸为设计性实验，从而培养学生的创新性能力。[1]

一、教改的思路和实现

《近代物理实验》课程中的实验项目现有教学还主要遵循预习、实验、完成实验报告三步曲模式，实验过程中大多还是教师将实验原理、实验步骤、仪器操作方法等进行较为详细的讲解，导致学生思考太少，不利于学生能力的培养。我们应该改变这种灌输式的以教师为主导的教学模式，在《近代物理实验》中真正按照科学研究实验的方式来培养学生的科研能力，在提出实验目的的前提下，让学生自己思考如何如何根据实验室现有的实验设备、配件设计一个合理的实验方案以达到提出的实验目的，在实验方案实施过程中如何优化各个实验参数，如何选择最佳工作状态，在实验结果分析中怎样根据实验数据合理推理分析给出新的物理现象。下面我们将以“光栅光谱仪的拓展使用”为例，要求学生在“光栅光谱仪使用”这个基础实验项目的基础上，根据实验室现有的配件，自行设计并搭建一台紫外分光光度计，并利用设计的紫外分光光度计分析乙醇的吸收光谱特性，从而说明如何将科学研究实验应有的要求融入到《近代物理实验》项目中。[2]

紫外分光光度计，就是根据物质的吸收光谱研究物质的成分、结构和物质间相互作用的设备，其关键在于得到物质的吸收光谱，即物质中的分子和原子吸收了入射光中的某些特定波长的光能量，相应地发生了分子振动能级跃迁和电子能级跃迁的结果。由于各种物质具有各自不同的分子 、原子和不同的分子空间结构，其吸收光能量的情况也就不会相同，因此，每种物质就有其特有的、固定的吸收光谱曲线，可研究物质的成分、结构和物质间相互作用，并根据吸收光谱上的某些特征波长处的吸光度的高低判别或测定该物质的含量。因许多物质在紫外-可见光区有特征吸收峰，所以可用紫外分光光度法对这些物质分别进行测定（定量分析和定性分析）。紫外分光光度法使用基于朗伯-比耳定律，即光吸收的基本定律，俗稱光吸收定律，是分光光度法定量分析的依据和基础。当入射光波长一定时，溶液的吸光度A是吸光物质的浓度C及吸收介质厚度L（吸收光程）的函数。

设入射光强度为I0，吸收光强度为Ia，透射光强度为 It，反射光强度为Ir，则 I0 = Ia+ It+ Ir，由于反射光强度很弱，其影响很小，上式可简化为：I0 = Ia+ It，透光度为透过光的强度It与入射光强度I0之比，用T表示，即T = It/I0，吸光度为透光度倒数的对数，用A表示，即A = lg（1/T） = lg（I0/It）。可见，紫外分光光度计对物质进行定量和定性分析的核心是测量入射光强度I0和透过光的强度It。而光栅光谱仪就是专门用来确定并分析未知光源光谱特性（包括强度信息）的设备。实验室已有的 WGD-8A 组合式光栅光谱仪由光栅光谱仪、接收单元、扫描系统、电子放大器、A/D 采集单元、计算机组成，且光栅光谱仪的各个组件均为可拆卸式设计，在开设的“光栅光谱仪使用”基础实验项目中，学生已掌握了光栅光谱仪的原理、结构及使用方法。此外，实验室已配有氘灯、氘灯电源、吸收池等配件，氘灯可作为紫外光光源，吸收池可承载溶液。

作为实验项目的拓展，要求学生根据实验室现有的组合式多功能光栅光谱仪、氘灯、氘灯电源、吸收池等设备自行设计并搭建一台紫外分光光度计，并利用设计的紫外分光光度计分析乙醇的吸收光谱特性。

提出以下具体要求和实验内容：

1.自学紫外分光光度计相关知识；

2.实验前进实验室实地查看的现有设备与配件，自行设计“搭建紫外分光光度计”的方案，在实验课上课前，进行方案可行性的讨论。

3.根据讨论的最佳设计方案搭建紫外分光光度计，并配置一固定浓度的酒精溶液，测量并得出酒精溶液的透射光谱和吸收光谱，并对得出的谱图进行分析。

此实验目的在于培养学生的创新能力，提高实验动手能力，并加深学生对光度计相关原理的理解及进一步掌握光度计的测试技能。

结语

通过近代物理实验教学方式的调整和改革， 学生不再是消极地接受知识， 对传统的实验仅仅进行验证， 而是根据实验目的， 设计出实验方案， 并将实验方案在实验室中得以实施和优化。这样就激发了学生的学习积极性， 将传统的验证性实验变成了研究性实验， 这不仅使同学们牢固地掌握了所学内容， 对相关的仪器设备有了更深入的理解， 而且通过选择设备、优化实验方案等有效地培养了他们的创新意识和能力。这种实验教学方式收到了同学们的好评。

参考文献

[1]于常青、李家泽等，光学多通道分析仪的分辨本领分析，光学技术，2001（27）

[2]张燕、方利广等，WGD-8A 型多功能光栅光谱仪与分辨本领分析，江西科学，2005（05）

[3]王庆有，光电技术，电子工业出版社，2005